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• HernanJesusSoveroMUñoz

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I.

INTRODUCCIÓN

El presente informe “SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO DE LA PRODUCCIÓN DE PROPILEN - GLICOL A PARTIR DEL OXIDO DE PROPILENO EN UN REACTOR DE TIPO CSTR CON EL PROGRAMA CHEMCAD” tiene como objetivo general simular el proceso de obtención de Propilen - Glicol a partir de óxido de propileno, en estado estacionario, utilizando el simulador Chemcad y ver la factibilidad al usar este simulador. En el presente trabajo se desarrollan las relaciones termodinámicas fundamentales para el establecimiento de la consistencia termodinámica conjuntamente con el balance de materia y energía para la producción de propilen - Glicol. La producción de propilen - Glicol (C3H8O2) se da por la hidratación del óxido de propileno, es decir en la primera fase Propilen - Glicol (C3H8O2) se obtiene por reacción del Oxido de Propileno (C3H6O) y agua (H2O). Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura constante y presión atmosférica. En una primera etapa se realizó el balance de materia al mezclador despreciando el balance de energía por ser un proceso isotérmico, seguidamente se planteó el balance de materia y energía al reactor de tanque agitado continuo (CSTR) determinando así los valores de flujos molar de entrada y salida del sistema los resultados obtenidos fueron: para una alimentación de 150 lbmol/h de Oxido de propileno y 611.111 lbmol/h de agua con una conversión en el reactor de X= 0.9614 se obtuvo 146.72 lbmol/h de propilenglicol.

1

II.

TABLA DE CONTENIDO

I.

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1

II.

TABLA DE CONTENIDO................................................................................................. 2

III.

OBJETIVOS ................................................................................................................. 4

3.1.

OBJETIVO GENERAL: ............................................................................................. 4

3.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: .................................................................................... 4

IV.

MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 5

4.1.

PROPILEN - GLICOL ................................................................................................ 5

4.1.1.

DEFINICION .......................................................................................................... 5

4.1.2.

CARACTERÍSTICAS DEL PROPILEN - GLICOL .............................................. 5

4.1.3.

PROPIEDADES DEL PROPILEN - GLICOL ...................................................... 6

4.1.4.

APLICACIONES ................................................................................................ 7

4.2.

OXIDO DE PROPILENO ........................................................................................... 7

4.2.1.

DEFINICION ....................................................................................................... 7

4.2.2.

PROPIEDADES DEL OXIDO DE PROPILENO ................................................. 8

4.2.3.

MÉTODOS DE SÍNTESIS: ................................................................................. 8

4.2.4.

APLICACIONES Y USOS ................................................................................ 10

4.3.

SIMULADOR A UTILIZAR PARA LA OBTENCION DEL PROPILEN - GLICOL .... 10

4.3.1. V.

SIMULADOR CHEMCAD ................................................................................. 10

SIMULACIÓN

EN

ESTADO

ESTACIONARIO

PARA

LA

PRODUCCIÓN

DE

PROPILENGLICOL ............................................................................................................... 12 5.1.

APLICANDO AL CASO DE UNA PLANTA DE PROPILENGLICOL EN ESTADO

ESTACIONARIO ............................................................................................................... 12 5.1.1. 5.2.

PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL PROPILEN - GLICOL ............................. 12

BALANCE DE MATERIA (ESTADO ESTACIONARIO) .......................................... 13

2

5.2.1.

BALANCES DE MATERIA EN EL MEZCLADOR ............................................ 13

5.2.2.

BALANCE DE MATERIA EN EL REACTOR CSTR ......................................... 15

5.2.3.

BALANCE DE ENERGIA (ESTADO ESTACIONARIO) ................................... 20

5.2.3.1.

Balance De Energía En El Mezclador......................................................... 20

5.2.4.

BALANCE DE ENERGÍA DEL REACTOR CSTR ............................................ 21

5.2.5.

COLUMNA DE DESTILACION ........................................................................ 23

5.2.6.

CÁLCULO DEL NÚMERO MÍNIMO DE PLATOS QUE SE REQUIERE PARA LA

ALIMENTACIÓN LIQUIDO SUBENFRIADO: NM .......................................................... 25 VI. 6.1.

RESULTADOS ........................................................................................................... 30 TABLA

COMPARATIVA

ENTRE

LOS

RESULTADOS

DE

CÁLCULO

CONVENCIONAL Y LOS OBTENIDOS CON EL SIMULADOR:....................................... 31 6.2.

DIAGRAMA DE BLOQUES .................................................................................... 32

VII.

CONCLUSIONES .................................................................................................. VII-35

VIII.

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... VIII-36

3

III.

3.1.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

-

Realizar la simulación del proceso de obtención del Propilen-Glicol en estado estacionario mediante el programa CHEMCAD para verificar los datos obtenidos por el método convencional.

3.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

-

Verificar los resultados cálculos obtenidos por el método convencional y el simulado en CHEMCAD del balance de materia en el reactor tipo CSTR.

-

Verificar los resultados cálculos obtenidos el método convencional y el simulado en CHEMCAD del balance de energía en el reactor tipo CSTR.

-

Construir el diagrama de flujo del proceso de producción del PropilenGlicol.

-

Simular el proceso de obtención del Propilen-Glicol en estado estacionario con CHEMCAD.

4

IV. 4.1.

MARCO TEÓRICO

PROPILEN - GLICOL

4.1.1. DEFINICION El propilen - Glicol, también denominado 1,2-propanodiol es un producto de amplia aplicación. Como aditivo para alimentación animal pertenece a la categoría de los “aditivos tecnológicos”, incluyéndose dentro del grupo funcional “aditivos espesantes”. A concentraciones elevadas actúa como un eficaz conservante casi similar al etanol. Es un buen vehículo para principios activos que no se disuelven en agua como pueden ser aceites volátiles o las Vitaminas A o D. Además, está considerado como un buen emoliente impidiendo la desecación del estrato corneo de la epidermis y protegiendo la piel. Tiene un efecto estabilizante en emulsiones cosméticas y también se usa como agente plastificante en formulaciones. (Bauer, 1992) 4.1.2. CARACTERÍSTICAS DEL PROPILEN - GLICOL Descripción del producto: es un líquido claro, incoloro, ligeramente viscoso a temperatura ambiente, es miscible con agua y con etanol al 96%, Tiende a la oxidación a elevadas temperaturas, por lo que no se debe exponer al calor o a la llama. Recomendaciones: bajo ningún concepto se aconseja el uso de este producto ingerido, bebido o en contacto con las mucosas. El uso de este artículo es exclusivamente tópico. Gran Velada no se hace responsable ni del uso ni de la forma de aplicación de este producto. Tabla (1): Características del Propilen - Glicol

Aspecto

Liquido incoloro

Nº CAS

57 – 55 -6

Formula química

CH3CHOH – CH2OH

Peso especifico

1.0350 – 1.0389 g/cm3

Cenizas

< 70.00 ppm

Agua

< 0.20 %

Cloruros

< 0.007 %

Fuente: Ficha de datos de seguridad Reglamento (CE) Nº 1907/2006 (REACH)

5

4.1.3. PROPIEDADES DEL PROPILEN - GLICOL

Tabla (2): Propiedades del Propilen - Glicol

NOMBRE QUIMICO

1,2-PROPANEDIOL

Formula

C3H8O2

Peso molecular (g/mol)

76,10

Numero en EINECS

200-338-0

Punto de ebullición, 101,3 kPa (1 atm)

187,4 ºC(369,3 ºF) 186 – 189 ºC (367-372 ºF)

Ámbito de destilación, 101,3 k Pa (1 atm) Presión de vapor, 20ºC (68 ºF)

0,011 kPa (0,08 mmHg)

25ºC (77 ºF)

0,017 kPa (0,13 mmHg) Sobre – enfria

Punto de congelación Punto de fluidez

< -57 ºC (-71 ºF)

Gravedad específica, 20/20 ºC (68/68

1,038

ºF)

1,033

25/4 ºC (77/39 ºF)

1,007

60/4 ºC (140/39 ºF) Índice de refracción n20/D, 20 ºC(68 ºF)

1,4310-1,4330

Viscosidad, 25 ºC (77 ºF)

48,6 centipoise (mPa.s)

60 º(140 ºF)

8,42 centipoise (mPa.s)

Calor especifico, 25 ºC (77ºF)

2,51 J/(gºK)(0,60Btu/lb/ºF)

Tensión superficial, 25 ºC (77ºF)

36 mN/m (36dynes/cm)

Punto de inflamación, copa cerrada de

104 ºC (220 ºF)

Pensky – Martens Temperatura de auto ignición

371 ºC(700 ºF)

Conductividad térmica, 25 ºC (77 ºF)

0,2061 W/(mºK)(0,1191 Btu hr-1ft-1 ºF-1)

Conductividad eléctrica, 25 ºC (77 ºF) Calor de formación

10 micro S/m (0.1*10-7 mhos/cm) -422 kJ/mol (-101 Kcal/g-mol)

Calor de vaporización, 25 ºC (77 ºF)

67 kJ/mol (379 Btu/lb)

Fuente: Ficha de datos de seguridad Reglamento (CE) Nº 1907/2006 (REACH)

6

4.1.4. APLICACIONES Es un buen solvente para aromas en la industria de saborizantes concentrados. Agente humectante para resinas naturales. Solvente para elixires y preparaciones farmacéuticas que tienen algunos ingredientes solubles en agua. Me-dio de transferencia de calor de baja temperatura, para sistemas de enfriamiento de cervecerías, industrias lácteas e industrias vinícolas, así como para otros equipos de refrigeración que cuentan con serpentinas de enfriamiento en contacto directo con alimentos o bebidas. En solución acuosa, presenta excelentes propiedades anticongelantes. Solvente para tintas de impresión. Solvente y agente de acoplamiento El propilen - Glicol, de acuerdo al Reglamento 231/2012, está clasificado como aditivo alimentario, con el Código E-1520. Es utilizado como disolvente de sabores y colores en la industria de concentrado alimentarios; como humectante, estabilizador y conservante en la industria de alimentación humana, en aplicaciones tales como bollería, aliños, bebidas, etc. Debido a sus propiedades químicas, la industria cosmética incorpora el propilen - Glicol en su formulación como disolvente, transportador, humectante, agente dispersante es un componente en cremas y lociones, dado que permite una distribución homogénea de los ingredientes, en la formulación del producto tales como: cremas, lociones, mascarillas, maquillajes, perfumes, depilatorios, desodorantes, productos para el cuidado del cabello, cuidado bucal, etc. El propilen - Glicol industrial de Dow es el glicol preferido para la fabricación de resinas de poliéster no saturadas, a su vez usadas en una variedad de aplicaciones, tales como laminados plásticos reforzados para la construcción naval, gel coats, materiales para moldeo de láminas (SMC, por sus siglas en inglés) y mármol sintético. (Humana, 1997)

4.2.

OXIDO DE PROPILENO

4.2.1. DEFINICION El propileno o propeno (H2C=CH–CH3) es un hidrocarburo perteneciendo a los alquenos, incoloro e inodoro. Es un homólogo del etileno. Como todos los alquenos presenta el doble enlace como grupo funcional. Es el segundo compuesto más utilizado en la industria química en todo el mundo. (Scenna, 1999)

7

4.2.2. PROPIEDADES DEL OXIDO DE PROPILENO El líquido es muy inflamable y el vapor forma una mezcla explosiva con el aire, el óxido de propileno puede polimerizarse violentamente. Es muy reactivo, en particular con el cloro, el amoniaco, agentes oxidantes fuertes y los ácidos. En la tarjeta Internacional sobre la Seguridad de las Sustancias Químicas se indican algunas de las propiedades físicas y químicas del óxido de propileno. (Jesus Cabel, 1991) Tabla (2): Propiedades químicas y físicas del Propileno

Punto de ebullición: Punto de fusión:

34°C 112°C

Densidad relativa (agua = 1): Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: Presión de vapor, kPa a 20°C: Densidad relativa de vapor (aire = 1): Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): Temperatura de autoignición: Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 36.3 Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: Viscosidad, mm²/s a 25°C:

0.83 40 59 2.0 1.6 430°C 1.90.03 0.34

Fuente: (Jesus Cabel, 1991)

4.2.3. MÉTODOS DE SÍNTESIS:

La fabricación del óxido de propileno (OP) no se efectúa industrialmente por oxidación directa del propileno con aire u oxígeno debido a la baja selectividad de esta vía de obtención, ya que el metilo en posición alílica resulta fácilmente oxidable. Por este motivo su fabricación se efectúa bien por la antigua vía de la clorhidrina, bien mediante oxidación indirecta.

8

4.2.3.1.

Clorohidrinación, Epoxidación: Figura (1): Reacciones de Clorohidrinación y Epoxidación

Fuente: (Jesus Cabel, 1991) Figura (2): Proceso de obtención del óxido de Propileno vía Clorhidrina.

Fuente: (Jesus Cabel, 1991)

4.2.3.2.

Proceso Oxirano: Figura (3): Reacción del Proceso de Oxirano

Fuente: (Jesus Cabel, 1991)

9

Figura (4): Proceso de obtención del óxido de Propileno por oxidación indirecta.

Fuente: (Jesus Cabel, 1991)

4.2.4. APLICACIONES Y USOS -

Se emplea como intermediario para una amplia gama de productos químicos industriales y comerciales, entre los más importantes se encuentran, Polioles, propilenglicol, éteres de glicoles. (Bossi, 2001)

4.3.

-

Se utiliza como herbicida.

-

Se emplea como aditivo en la industria de algodón. (Suárez, 2004)

SIMULADOR A UTILIZAR PARA LA OBTENCION DEL PROPILEN GLICOL

4.3.1. SIMULADOR CHEMCAD Es un simulador que se emplea para el diseño, operación y mantenimiento de procesos también para la representación gráfica y más detallada de estas. En este podemos estudiar y calcular cargas de calores, requerimientos de energía, equilibrios químicos también hacer balances de materia y energía facilitando mucho más el trabajo ya que estos se pueden realizar de forma más detallada. Este tiene muchas aplicaciones entre las cuales están procesos químicos, termodinámicos, procesos de fábricas etc. 10

En síntesis, este simulador guarda una estrecha relación con clases como: Balance de materia y energía, Operaciones unitarias, mecánica de fluidos, termodinámica y química. Ya que nos permite hacer una simulación más completa de un proceso aplicando conocimientos previamente adquiridos en las clases anteriormente mencionadas. 4.3.1.1.

Pasos a seguir para su utilización: -

Seleccionar las sustancias.

-

Dibujar el diagrama simulado.

-

Definir el diseño.

-

Seleccionar un método termodinámico.

-

Representación de las corrientes de entrada.

4.3.1.2.

Ventajas del Software:

De forma general este software, como una herramienta de productividad tiene muchas ventajas entre las que cabe mencionar las siguientes: -

Incremento en la productividad por el uso de información obtenida a partir de la simulación diaria de cálculos relacionados con las condiciones de operación.

-

Maximizar la rentabilidad de las operaciones por el diseño más eficiente de nuevos procesos y equipos.

11

V.

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO PARA LA PRODUCCIÓN DE PROPILENGLICOL

5.1.

APLICANDO AL CASO DE UNA PLANTA DE PROPILENGLICOL EN ESTADO ESTACIONARIO

5.1.1. PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL PROPILEN - GLICOL

El propilen - Glicol se obtiene por reacción del óxido de propileno y agua, y posterior separación en una columna de destilación. En la figura se presenta un diagrama de flujo del proceso. (Matich, 2002)

Figura (4): Diagrama de procesos de la obtención de Propilen - glicol

Fuente: (Matich, 2002)

Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura constante y presión atmosférica. La reacción, ocurre en fase líquida. El reactor tiene un volumen de 280 ft3, se supones caída de presión nula y mantiene un nivel de líquido de 85 %. (Rodriguez, 2005) La reacción química que tiene lugar es: 𝐻2 𝑂 + 𝐶3 𝐻6 𝑂 → 𝐶3 𝐻8 𝑂2

12

Tabla (3): Condiciones y composiciones de las corrientes de alimentación

Nombre Temperatura (°F) Presión Flujo molar

Óxido de Propileno

Agua

75

75

16,16

16,16 psi

150 lb mol/h

Óxido de propileno

Fracción molar: 1,0

Flujo másico: 0,0 lb/h

Agua

Fracción molar: 0,0

Flujo másico: 11000,0 lb/h

Propilen - Glicol

Fracción molar: 0,0

Flujo másico: 0,0 lb/h

Fuente: (Rodriguez, 2005)

Siendo Cop la concentración molar de óxido de propileno en lbmol/ft3 Los datos cinéticos para esta reacción son: −𝐸

𝑟 = 𝐴𝑒 ( 𝑅𝑇 ) 𝐶𝑜𝑝 DONDE: 𝐴 = 1.7 × 1013 𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙/𝑓𝑡 3 𝐸 = 7.5 × 104 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 − 𝐾 5.2.

BALANCE DE MATERIA (ESTADO ESTACIONARIO)

5.2.1. BALANCES DE MATERIA EN EL MEZCLADOR

Figura (5): Balance de materia en el Mezclador

𝑨

Mezclador

𝑭

𝑩

Entrada – salida + generación = acumulación

13

(1)

Consideraciones: 

Estado estacionario (Acumulación = 0).



No existe reacción química (Generación =0)



Mezcla de fluidos líquidos incompresibles. Entrada  Salida

(2)

AB F

A. CÁLCULO DE LA CORRIENTE A (oxido de propileno):

A = 150 lb mol /h

B. CÁLCULO DE LA CORRIENTE B (agua): B  11000

lb  1lbmol     611.111lbmol / h h  18.0 lb 

C. CÁLCULO DE LA CORRIENTE F (mezcla) : Reemplazando los valores anteriores en (2):

F  150  611.111  761.111lbmol / h

Tabla (4): Resultados del balance de materia en el mezclador. Resultados Del Balance De Materia En El Mezclador

COMPONENTE

A,

B,

F,

lbmol/h

lbmol/h

lbmol/h

xi, fracción molar en F

Oxido de Propileno

150

0

150

0,1971

Agua

0

611.111

611.111

0,8029

Fuente: Propia

14

5.2.2. BALANCE DE MATERIA EN EL REACTOR CSTR

Figura (6): Balance de materia en el reactor CSTR

𝑽 𝑭

Reactor CSTR 𝑷

Dónde: V: Corriente de Venteo P: Corriente Producto Entrada  Salida  Generación  Acumulació n

(3)

Consideraciones: 

Estado estacionario (Acumulación = 0).



La reacción ocurre en la fase líquida, por lo tanto, no existe aumento de volumen.



La composición de la salida del reactor es la misma que se origina dentro del equipo por la agitación constante y completa.



La presión de operación es la atmosférica (14,7 psia) y a una temperatura constante de 140 ºF (isotérmico).



El reactivo limitante es el óxido de propileno por encontrarse en menor proporción que la cantidad estequiometria. (Morrai, 2002) Entrada  Salida  Generación  0

FA0  FA  r AV  0 FA0  FA0 1  X A   r AV  0 XA 

r A V

(4)

FA 0

15

CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN: De la ley de velocidad:

r A  kCA

(5)

Dónde:

k  1,7 x10

13

e

 32 000   RT 

C A  CÓxidode propileno 

  

h 1

FA0 1  X A 

0

 0 : Caudal de a lim entación, ft 3 / h A. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LA MEZCLA REACCIONANTE

Viene a ser el 85% del volumen del reactor:





V  0,85Vreactor  0,85 280ft 3  238ft 3

Reemplazando estos valores en (4):

XA

 FA0 1  X A   k V   0    FA 0

XA 

k 1  X A V

0

Despejando la conversión:

XA 

(6)

kV  0  kV

B. CÁLCULO DEL CAUDAL VOLUMÉTRICO DE ALIMENTACIÓN

 0   agua   óxido de propileno De tablas: i. Densidad del agua: = 62.30lb/pie3 ii. Densidad del óxido de propileno: = 49.32lb /pie3

Caudal volumétrico inicial de agua:

16

 agua

lbmol  18 lb  1 ft 3  ft 3   176.565  611.111   h  1lbmol  62.30lb  h

Caudal volumétrico inicial del óxido de propileno:

lbmol  58 lb  1 ft 3  ft 3   176.399  óxidode propileno  150   h  1lbmol  49.32 lb  h Finalmente:

ft 3  0  176.565  176.399  352.964 h BALANCE DE MATERIA PARA LA TEMPERATURA DE 125°F

Reemplazando en (6) todos los valores calculados a una temperatura de 125ºF (585 R): Dónde:

XA

R = 1.9859

Btu lbmol °R

32 000       13  1.9859 x 585  238  1, 7 x10 e       32 000      352.964  238  1, 7 x1013 e 1.9859 x 585   

   

X A  0.9259 CÁLCULO DE LOS FLUJOS MOLARES DE LOS PRODUCTOS DE REACCIÓN A 125°F lbmol h lbmol Fagua  FB 0  FA 0 X A  611.111  150  0, 9259   472.2242 h lbmol Fpropelinglicol  FC 0  FA 0 X A  0  150  0, 9259   138.8868 h lbmol P  11.1132  472.2242  138.8868  622.2242 h

Fóxido de propileno  FA 0  FA 0 X A  150  150  0, 9259   11.1132

BALANCE DE MATERIA PARA LA TEMPERATURA DE 140°F

Reemplazando en (6) todos los valores calculados a una temperatura de 140ºF (600 R): Dónde:

R = 1.9859

Btu lbmol °R

17

X

A

32 000       13  1.9859x 600    238 1,7 x10 e      32 000      352.964  2381,7 x1013 e  1.9859x 600   

   

X A  0.9614 CÁLCULO DE LOS FLUJOS MOLARES DE LOS PRODUCTOS DE REACCIÓN A 140 °F Fóxidode propileno  FA 0  FA0 X A  150  1500,9614   5.790

lbmol h lbmol Fagua  FB 0  FA0 X A  611.111  1500,9614   466.901 h lbmol Fpropelinglicol  FC 0  FA 0 X A  0  1500,9614   144.210 h lbmol P  5.79  466.901  144.21  616.901 h

BALANCE DE MATERIA PARA LA TEMPERATURA DE 180°F Reemplazando en (6) todos los valores calculados a una temperatura de 180ºF (640 R): Dónde:

XA

R = 1.9859

Btu lbmol °R

32 000       13  1.9859 x 640  238  1, 7 x10 e       32 000       352.964  238  1, 7 x1013 e 1.9859 x 640   

   

X A  0.9926 CÁLCULO DE LOS FLUJOS MOLARES DE LOS PRODUCTOS DE REACCIÓN A 180°F lbmol h lbmol Fagua  FB 0  FA 0 X A  611.111  150  0.9926   462.2279 h lbmol Fpropelinglicol  FC 0  FA 0 X A  0  150  0.9926   148.8831 h lbmol P  1.1169  462.2279  148.8831  612.2279 h

Fóxido de propileno  FA 0  FA 0 X A  150  150  0.9926   1.1169

18

Tabla (5): Tabla de resultados del balance de materia en el reactor a 125°F

Balance de materia en el reactor a 125°F

Especie i

F,

xi,

P,

xi,

lbmol/h

fracción

lbmol/h

fracción

molar en F Oxido

de

molar en P

150

0,197

11.1132

0,0178

Agua

611.111

0,803

472.2242

0,7589

Propilen - Glicol

0

0

138.8868

0,2232

Propileno

Fuente: Propia

Tabla (6): Tabla de resultados del balance de materia en el reactor a 140°F Balance de materia en el reactor a 140°F F , lbmol/h Especie i

xi,

P,

xi,

fracción

lbmol/h

fracción

molar en

molar en P

F Oxido de

150

0,197

5.790

0,009

Agua

611.111

0,803

466.901

0,757

Propilen - Glicol

0

0

144.210

0,234

Propileno

Fuente: Propia

Tabla (7): Tabla de resultados del balance de materia en el reactor a 180°F balance de materia en el reactor a 180°F

Especie i

F,

xi,

P,

xi,

lbmol/h

fracción

lbmol/h

fracción

molar en F

molar en P

Oxido de Propileno

150

0,197

1.1169

0,0018

Agua

611.111

0,803

462.2279

0,7549

Propilen - glicol

0

0

148.8831

0,2432

Fuente: Propia

19

5.2.3. BALANCE DE ENERGIA (ESTADO ESTACIONARIO)

5.2.3.1.

o

Balance De Energía En El Mezclador

o

Q W  E cinética  E potencial  U 

P



(7)

F

Consideraciones 

Estado estacionario (Acumulación = 0).



No existe considerable generación de energía y trabajo del eje



Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.



Las pérdidas de energía por las tuberías y accesorios son despreciables ( F  0

o

( W  0 ).

). 

Las variaciones de energía cinética y potencial, de trabajo de flujo son despreciables (



E cinética  0, E potencial  0

).

El calor de mezclado es despreciable por la rapidez que ocurre en el proceso o

( Q  0 ). U  0



Finalmente:



El proceso es isotérmico. Tabla 8. Condiciones físicas de la mezcla a la salida del mezclador MEZCLA A LA SALIDA DEL MEZCLADOR

PARÁMETROS

CORRIENTE

CORRIENTE

CORRIENTE

A

B

F

Temperatura, ºF

75

75

75

Presión, psia

16,16

16,16

16,16

Flujo molar, lbmol/h

150

611.111

761.111

Fracción molar de vapor

0

0

0

Fuente: Propia

20

5.2.4.

BALANCE DE ENERGÍA DEL REACTOR CSTR

n

T

i 1

Ti 0

Q W    Fi 0Cp i dT  H Rx T  FA0 X A o

o

(8)

Consideraciones 

Estado estacionario (Acumulación = 0).



No existe trabajo de eje ( W  0 ).



Los calores específicos son constantes en el intervalo de integración.



El calor de reacción debe evaluarse a la temperatura de operación del

o

reactor, la temperatura de referencia para las entalpías de formación es de 68 ºF. o

Q

n

Fi 0Cp i T  Ti 0   H Rx T  FA0 X A  i 1

(9)

A. CÁLCULO DE LAS CAPACIDADES ESPECÍFICAS Del texto: Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, H. Scout Fogler, tercera edición – página 446:

Cpagua  18

BTU lbmol.º F BTU lbmol.º F BTU  46 lbmol.º F

Cpóxidode propileno  35 Cp propilenglicol

B. CÁLCULO DEL CALOR DE REACCIÓN A LA TEMPERATURA DE OPERACIÓN o 68º F   Cp 140  68 H Rx 140º F   H Rx

(10)

Cálculo del calor de reacción la temperatura de referencia (68ºF): Las entalpías de formación se obtuvieron del texto Elementos de Ingeniería de las reacciones químicas, H. Scout Fogler, tercera edición – página 447:

21

o H agua , f  123 000

BTU lbmol

BTU lbmol BTU  226 000 lbmol

o H óxido de propileno, f  66 600 o H propilengl icol , f

o 68º F   226 000   123 000    66 600 H Rx

Cp  46  18  35  7

  36 400

BTU lbmol

BTU lbmol

a. Reemplazando en (10): PARA LA TEMPERATURA DE 125°F

BTU lbmol

H Rx 125º F   36 400   7 125  68   36 799 PARA LA TEMPERATURA DE 140°F H Rx 140 º F   36 400   7 140  68   36 904

BTU lbmol

PARA LA TEMPERATURA DE 180°F

H Rx 180º F   36 400   7 180  68   37184

BTU lbmol

C. CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA DEL REACTOR Reemplazando todos los valores calculados en (9): PARA LA TEMPERATURA DE 125°F o

Q 150  35   611,118    125  75    36 799  150   0, 9259 

Q = -4.298x106 BTU/h

PARA LA TEMPERATURA DE 140°F o

Q 150  35   611,118    140  75    36 904  150   0, 9614 

Q = -4.265x106 BTU/h

PARA LA TEMPERATURA DE 180°F o

Q 150  35   611,118    180  75    37184  150   0, 9926 

Q = -3.83 x106 BTU/h

22

5.2.5.

COLUMNA DE DESTILACION

QC: Calor del condensador

D R= D/L=0.7 P= 15 Psia

F

Qr: Calor del rehervidor

B P= 17Psia

𝐕𝐚𝐩𝐨𝐫 = 𝐃𝐞𝐬𝐭𝐢𝐥𝐚𝐝𝐨 + 𝐅𝐨𝐧𝐝𝐨𝐬

(14)

𝐕=𝐃+𝐁

23

QC: Calor del condensador

D

R= D/L= 1.0

P= 15 Psia

X D, OE X D, EG

Fagua=150.0 lbmol/h FC3H6O=610.6 lbmol/h

B P= 17 Psia

X D, OE X D, EG

Qr: Calor del rehervidor

Teniendo que en la entrada el flujo es: F= 760.6 kgmol/h Donde: Fagua=150.1 kgmol/h FC3H6O=610.6 kgmol/h

24

CONSIDERACIONES:  El proceso se encuentra en estado estacionario (Acumulación = 0).  Consideración del componente ligero al óxido de propileno, ya que este tiene menor punto de ebullición.  La presión de operación del condensador es de 15 psia y a una temperatura constante de 60°C (isotérmico).  La presión de operación del rehervidor es de 17 psia y a una temperatura constante de 60°C (isotérmico). 5.2.6. CÁLCULO DEL NÚMERO MÍNIMO DE PLATOS QUE SE REQUIERE PARA LA ALIMENTACIÓN LIQUIDO SUBENFRIADO: NM 5.2.6.1.

Método Grafico De Mc Cabe Thiele.

El método requiere de la interrelación del diagrama de equilibrio, las fracciones molares de las corrientes de salida. 

Construcción del diagrama de equilibrio.

Interrelaciona las composiciones molares en equilibrio con el rango de temperaturas. a. Cálculo de composiciones molares en equilibrio.

Aplicando las composiciones de ecuación Dalton y Roult en función de presión. Aplicando: P−PSAT

EG XOE = PSAT −P SAT OE

YOE =

PSAT OE P

(15)

EG

∗ X𝑂𝐸

(16)

Donde por la ecuación de Antoine: 2367.61

SAT LnPOE = 16.74 − T−29.01

(17)

6022.18

SAT LnPEG = 20.2501 − T−28.25

25

(18)

b. Cálculo del rango de temperatura. Los límites de rango de temperatura se determinan aplicando las ecuaciones (17) y (18) de Antoine, siendo una previa suposición ya que esta planta estacionaria seria diseñada en esta ciudad antes mencionada. De (17): TEB. C3H6 𝑂 = TEB.C3 H6𝑂 =

2367.61 + 29.01 = 254.7358K = −18.4142°C 16.74 − Ln(520)

6022.18 + 28.25 = 458.5203K = 185.37°C 20.2501 − Ln(520)

Luego tabulando: Tabla (9): Cálculos de X y Y.

T(K)

POESAT

PEGSAT

XOE

YOE

αOE = POESAT/ PEGSAT

254.7358

518.5952

0.0018

0.1323

0.0000

293808.0179

260

658.6303

0.0032

0.3168

0.0000

203971.7051

270

1007.7591

0.0095

0.5535

0.0000

106527.6713

280

1490.5717

0.0254

0.6981

0.0000

58576.3388

290

2139.5477

0.0635

0.7897

0.0001

33712.4739

300

2990.2412

0.1480

0.8496

0.0002

20206.2110

310

4080.7733

0.3249

0.8898

0.0006

12558.3211

320

5451.2682

0.6761

0.9176

0.0012

8063.3167

330

7143.2613

1.3399

0.9372

0.0024

5331.2404

340

9199.1035

2.5415

0.9513

0.0046

3619.5281

350

11661.3838

4.6327

0.9618

0.0086

2517.1744

360

14572.3852

8.1444

0.9697

0.0152

1789.2454

370

17973.5867

13.8530

0.9757

0.0260

1297.4464

380

21905.2187

22.8620

0.9805

0.0431

958.1512

390

26405.8767

36.6989

0.9843

0.0695

719.5277

400

31512.1942

57.4295

0.9875

0.1091

548.7114

410

37258.5757

87.7864

0.9903

0.1672

424.4230

440

58644.6460 277.0737

0.9970

0.5313

211.6572

26

450

67244.4451 391.9256

0.9991

0.7530

171.5745

458.52

75180.6164 519.9947

1.0009

1.0009

144.5796

ΣαOE -

34352.4443

ETG=

Calculo de las composiciones: a. Calculo de XOE. Aplicando la definición de fracción molar en función de corriente: XOE =

bOE B

=b

bOE

(19)

OE +bEG

b. Calculo de fOE. Por balance de materia para el óxido propileno alrededor de la columna: fOE = dOE + bOE

(20)

Definición básica: fOE = 500

kgmol h

c. Calculo de D y B.

Aplicando la definición de fracción molar. F=D+B 1000.1 = D + B

(21) F ∗ XF,b = D ∗ XD,b + B ∗ XB,b

1000.1 ∗ 0.4999 = 𝐃 ∗ 0.9903 + 𝐁 ∗ 0.1072 (22) Teniendo de las ecuaciones (21) y (22) se obtiene: 1000.1 = D + B 444.7280

kgmol =D h

Ahora teniendo de la ecuación (21), se obtiene el valor de B: 1000.1 = D + B

27

1000.1 = 444.7280 + B 555.3720

kgmol =B h

Calculo de dOE. dOE = XD ∗ D

(23)

De donde: dOE = 0.9903 ∗ 444.7280 = 440.4141 d.

kgmol h

Calculo de bOE.

De la ecuación (22): B ∗ XOE = bOE (555.3720 ∗ 0.9903)

549.9849

kgmol = bOE h

kgmol = bOE h

 Calculo de fPG. Por balance de materia para el óxido de etileno alrededor de la columna: a.

Calculo de fPG:

Definición básica: fPG = 990.399 b.

kgmol h

Calculo de dPG.

dPG = XD ∗ D

(24)

De donde: dPG = 0.00097 ∗ 444.7280 = 4.3138 c. Calculo de bPG. De la ecuación (22): B ∗ XPG = bPG

28

kgmol h

(555.3720 ∗ 0.008928)

kgmol = bPG h

5.3871

kgmol = bPG h

5.3871

kgmol = bEG h

X - Y Diagram

1.0

2

0.8

4

5 0.6

1

3

Y

6 7

0.4

0.2

8 0.0 0.0

0.2

0.4

X

0.6

0.8

1.0

Según el grafico el número de etapas de equilibrio 𝑁𝑚 = 8𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑡𝑒ò𝑟𝑖𝑐𝑜𝑠

29

VI.

RESULTADOS

Tabla (10): Datos del cálculo convencional

BALANCE GENERAL OXIDO DE

AGUA

F

VENTEO

PRODUCTO

75

75

75

125

125

16.17

16.16

16.16

16.16

16.16

150

611.111

761.11

0

616.9

PROPILENO TEMPERATURA (F) PRESIÓN (psia) FLUJO

MOLAR

(Lbmol/h)

1 -4.298x106

FLUJO CALORÍFICO (Btu/h) Fuente: Propia.

BALANCE GENERAL OXIDO DE

AGUA

F

VENTEO

PRODUCTO

75

75

75

140

140

16.17

16.16

16.16

16.16

16.16

150

611.111

761.11

0

616.9

PROPILENO

TEMPERATURA (F) PRESIÓN (psia) FLUJO

MOLAR

(Lbmol/h) FLUJO

1 -4.25x106

CALORÍFICO

(Btu/h) Fuente: Propia. BALANCE GENERAL OXIDO DE

AGUA

F

VENTEO

PRODUCTO

75

75

75

180

180

PRESIÓN (psia)

16.17

16.16

16.16

16.16

16.16

FLUJO MOLAR

150

611.111

761.11

0

616.9

PROPILENO

TEMPERATURA (F)

(Lbmol/h)

1 -3.83 x106

FLUJO CALORÍFICO (Btu/h)

Fuente: Propia.

30

6.1.

TABLA COMPARATIVA ENTRE LOS RESULTADOS DE CÁLCULO CONVENCIONAL Y LOS OBTENIDOS CON EL SIMULADOR:

Tabla (11): Resultados de cálculo convencional

BALANCE GENERAL OXIDO DE

AGUA

F

VENTEO

PRODUCTO

VAPOR

DESTILADO

PROPILENGLICOL

PROPILENO TEMPERATURA (F)

75

75

75

140

140

97.71

97.71

128.4

PRESIÓN (psia)

16.17

16.16

16.16

16.16

16.16

15.17

15.17

15.17

FLUJO MOLAR (Lbmol/h)

150

611.111

761.11

0

616.9

0.0000007

116.20

143.64

-0.364

-1.5 x10

-7.5 x10

FLUJO CALORÍFICO (Btu/h)

-4.25x106 Fuente: Propia

31

6.2.

DIAGRAMA DE BLOQUES

RESULTADOS DEL METODO CONVENCIONAL MATERIALES EN BRUTO OXIDO DE PROPILENO (C3H6O) T=75°F P=16.17 psi Flujo molar=150 lbmol/hr AGUA (H20) T=75°F P=16.16 psi Flujo molar=611.111 lbmol/h Flujo másico=11000

EN PROCESO

MEZCLADOR (C3H6O) T=75°F P=16.17 psi Flujo molar=760.6 lbmol/hr

PRODUCTOS DERIVADOS

DESTILADO VENTEO T=140°F, 180°F, 125°F P=16.17 psi Flujo molar=0 lbmol/hr

REACTOR CSTR V=280 ft3 Volumen del líquido=85%

COLUMNA DE

Flujo molar=114.6 lbmol/hr T=95.71 F P=15 psia

DESTILACI ON

PRODUCTO T=140°F, 180°F, 125°F P=16.17 psi Flujo molar=757.4 lbmol/hr

NT=8 platos

PROPILENGLICOL Flujo molar=642.8 lbmol/hr T=128.1 F P=17 psia

32

RESULTADOS DEL METODO CONVENCIONAL

Diagrama de flujo de materiales – cuantitativo MATERIALES EN BRUTO

EN PROCESO

PRODUCTOS DERIVADOS

OXIDO DE PROPILENO

(C3H60) MEZCLADOR DESTILADO

Mezclado de dos AGUA

materias primas

VENTEO

(H2O) REACTOR CSTR Reacción C3H60+H2OC3H802 PRODUCTO

33

D E C S O T L D I U L M E A N C A I Ó N PROPILENGLICOL

Tabla (12): Resultados del simulador CHEMCAD CHEMCAD 6.3.1 Simulation: GLYCOL 10:25:19 FLOW SUMMARIES:

Page 1 Date: 10/19/2017 Time:

Stream No. Stream Name

1 oxido

2 agua

3

Temp F Pres psia Enth MMBtu/h Vapor mole frac. Total lbmol/h Total lb/h

75,0000* 16.1600* -78.119 0.00000 150,000 8.712,000

750.000 161.600 -82.895 0.00000 761,1110 19721,1641

Total std L ft3/hr Total std V scfh

167,0994 56921,79

75.0000* 16.1600* -75.083 0.00000 611,1110 11.009,165 0 176,3501 231903,56

Flowrates in lb/h 1,2-Propylene Ox Water

8.712,000 0 0.0000

1,2-Propylene Gl

0.0000

1.400.000 147.000 -87.039 0.00000 614,2104 19721,1660

5 DESTILADO RE 1.538.448 147.000 -35.776 0.00000 296,04010 5487,74510

6 PROPILENGLY C 2.317.519 147.000 -50.205 0.00000 318,1704 14233,4229

343,4495 288825,380 0

309,1945 233079,730 0

88,44860 112340,8900 0

220,7459 120738,8800

0.0000

8.712,0000

180,0153

180,0152

0.0001

11.009,165 0 0.0000

11.009,1650

8.362,7500

5.267,8960

3.094,8569

0.0000

11.178,4004

39,8342

11.138,5664

Fuente: Propia

34

4

VII.

-

CONCLUSIONES

Los datos obtenidos del cálculo convencional y en el simulado con el programa CHEMCAD del balance de materia no divergen demasiado, concluyendo así que ambos son factibles.

-

De los resultados obtenidos del cálculo convencional y simulado con el programa CHEMCAD, para el balance de energía en el reactor se obtuvo una diferencia porcentual de 8.35294118%

-

Se construyó el diagrama de flujo del proceso de producción del Propilen-Glicol.

-

Se comparó los resultados de la simulación del reactor SCTR en base al modelo UNIQUAC para el método convencional tenemos 616.9 lbmol/hr y del CHEMCAD 614,21 obteniendo una diferencia porcentual de resultados de 0.08%

VII-35

VIII. BIBLIOGRAFÍA

Fogler., S. (2001). Elementos de Ingeniería de Reacciones Químicas. Tercera Edición. Humana. (1997). “Simulación Dinámica en Tiempo Real. Pasteurizador HTST”,. Jesus Cabel, M. (1991). Diagrama de flujo en la industria quimica. Peru. Morrai, D. (2002). Reactor CSTR. Mexico . Ness., S. &. (1987). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. McGraw-Hill Book Co. Inc., . New York . PISSQ. (2006). Guía para la salud y seguridad Nº 15. Metepec. Mexico. Suárez, T. (2004). Quimica industrial y procesos industriales. Venezuela. Tarifa. (1995). “Diagnosis de Fallas en Plantas Químicas Complejas: Plantas de Grandes Dimensiones y Procesos Batch”. Universidad Nacional del Litoral, Santa Fe, Argentina. Yanqui., I. P. (2005). Paper: Simulacion Estacionaria para el caso de una Planta de Propilen-Glicol.

VIII-36

SIMULACIÓN EN PROGRAMA CHEMCAD

VIII-37

PASOS PARA REALIZAR LA SIMULACIÓN EN CHEMCAD Paso 01: Abrir ChemCad

Lo primero que se realiza en el programa chemcad es crear un nuevo esto se realiza abriendo la ventana y haciendo clic en new job del menú File.

Paso 02: Elegir en que unidades se trabajara

Ir al menú Format y hacer clic en Engineering Units y seleccionar las unidades deseadas para las propiedades tales como temperatura, presión etc. Clic en OK para continuar. Guardar la simulación al final de cada paso para asegurarse que la información no se pierda en caso eventual que el sistema falle.

VIII-38

Paso 03: Dibujar el diagrama de flujo (flowsheet)

Hacer clic derecho sobre el icono Mixer de la paleta de las unidades de operación y seleccionar el icono con tres corrientes de alimentación. Este icono puede ser llevado sobre el espacio de trabajo haciendo clic izquierdo sobre él. Clic derecho sobre el icono Feed de la paleta y seleccionar las flechas de alimentación en las direcciones deseadas y hacer clic en el espacio de trabajo para pegarlas. De manera similar, hacer clic sobre el icono Product y pegarlo sobre el espacio de trabajo. Usando stream de la paleta, conectar las alimentaciones a las entradas del mezclador y el producto a la salida. Siempre dibujar las corrientes desde la entrada a la salida. Después todos los iconos son conectados usando la corriente, clic una en el área de trabajo para ver la paleta. Chemcad automáticamente asigna los números a las corrientes en orden en la cual se trazan.

VIII-39

Paso 04: Ingresar los componentes en el diagrama de flujo (flowsheet)

Ir a Thermophysical sobre la barra de menú y seleccionar Component list. Seleccionar los tres componentes deseados y ellos a la lista de componentes. La búsqueda para los componentes en la base de datos puede hacerse escribiendo el nombre (en inglés) del componente en la caja de diálogo proporcionado en la ventana. El orden en el cual los componentes son ingresados será el orden en el cual los componentes serán desplegados en cualquier etapa de la simulación.

VIII-40

VIII-41

Paso 05: Ingresar la composición de las corrientes

Se realiza un doble clic sobre cada una de las corrientes de alimentación e ingresar el nombre, temperatura, presión y composición correspondiente a cada corriente como se da en el enunciado del problema. Clic sobre el cuadro Flash en el tope izquierdo de la caja de diálogo al final del ingreso de la información para cada corriente de alimentación para obtener la entalpía y la fracción de vapor en la alimentación a las condiciones de alimentación.

Paso 06: Ingresar las especificaciones de Mixer

Después de ingresar la información de las corrientes de alimentación, doble clic sobre mixer e ingresar la Output Pressure como 1 atm según lo dado en el enunciado del problema. Clic en ok para continuar.

VIII-42

Paso 07: Ingresar las especificaciones del reactor

VIII-43

Paso 08: Ingresar las especificaciones de la columna

VIII-44

Paso 09: Efectuar la simulación y mostrar los resultados

Clic en Report luego en stream composition después en all streams para efectuar la simulación. El estado de la simulación puede verse en la parte inferior izquierda de la ventana. El mensaje, Run Finished aparece en este lugar si la simulación se he efectuado satisfactoriamente.

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Paso 10: Mostrar los resultados

Todos los resultados asociados con el reactor estequiométrico pueden ser encontrados haciendo clic sobre el menú Results.

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